Natürliche Kältemittel für Pkw-Klimaanlagen

Die EU-Richtlinie verbietet bereits seit Januar 2011 fluorierte Kältemittel in neuen Autoklimaanlagen, wenn ihr Treibhauspotenzial bei mehr als 150 liegt. Das bisherige Kältemittel Tetrafluorethan (R134a) muss daher ersetzt werden. Als Alternative wurde das fluorierte Kältemittel Tetrafluorpropen (1234yf) getestet, das jedoch brandgefährlich ist. Experten berieten bereits 2008 über natürliche Alternativen zu den bisher in Pkw-Klimaanlagen verwendeten fluorierten Kältemitteln. Kohlendioxid ist eine natürliche Alternative. Das Umweltbundesamt hat 2010 eine Überlegung zu möglichen natürlichen Kältemitteln als Alternativen zu fluorierten Kältemitteln in Auto-Klimaanlagen erarbeitet.

Warum Alternativen zu fluorierten Kältemitteln wichtig sind

Das fluorierte Treibhausgas Tetrafluorethan (R134a) wurde noch bis 2017 weitgehend als Kältemittel für Autoklimaanlagen genutzt, auch wenn die EU-Kommission mit der Richtlinie 2006/40/EG über Emissionen aus Klimaanlagen in neuen Kraftfahrzeugen bereits seit Januar 2011 Treibhausgase mit einem Treibhauspotenzial von mehr als 150 verbietet. Allein in Deutschland wurden noch 2020 ungefähr 1.800 Tonnen des Kältemittels R134a von Autoklimaanlagen in die Atmosphäre abgegeben. Das sind Treibhausgasemissionen von 2,6 Millionen Tonnen CO2. Das entspricht einem jährlichen CO2-Ausstoß von 1,2 Millionen Pkw.

Als Alternativen zu R134a wurden Tetrafluorpropen (1234yf) und Kohlendioxid herangezogen.

Auch Tetrafluorpropen ist klimaschädlich. Bereits im Jahr 2020 wurden von Pkw-Klimaanlagen mehr als 800 Tonnen dieses fluorierten Kältemittels freigesetzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Tetrafluorpropen brennbar ist. Das Umweltbundesamt empfiehlt daher fluorfreie Kältemittel.

Das Treibhausgaspotenzial von Tetrafluorpropen ist geringer als das von Tetrafluoerethan. Dennoch ist Tetrafluorpropen keine sinnvolle Alternative. Im Brandfall und an heißen Oberflächen bildet es Giftstoffe wie Carbonylfluorid und Fluorwasserstoff.

Als Alternativen zu R134a wurden Tetrafluorpropen (1234yf) und Kohlendioxid herangezogen | Foto: ©NewSaetiew #697751543 – stock.adobe.com

Klimagefahr von Tetrafluorpropen

Tetrafluorpropen (1234yf) ist nicht nur aufgrund der Brandgefahr keine sinnvolle Alternative zu R134a. Es zerfällt innerhalb weniger Tage in der Atmosphäre zu Trifluoressigsäure (TFA), die mit den Niederschlägen in Boden und Gewässer gelangt.

Die Gehalte von TFA in Trinkwasser in Deutschland liegen bereits heute teilweise über den gesundheitlichen Orientierungswerten.

Mit den üblichen Reinigungsverfahren kann TFA nicht aus dem Wasser entfernt werden. Es gilt daher, Einträge in die Umwelt zu vermeiden. Das ist möglich, wenn bei Pkw-Klimaanlagen auf fluorierte Kältemittel komplett verzichtet wird.

Halogenfreie Kältemittel als Alternative

Es gibt verschiedene natürliche, halogenfreie Kältemittel, die sich in ihren Eigenschaften und in ihren Anwendungsmöglichkeiten unterscheiden. Die Wahl des geeigneten Kältemittels beeinflusst die Wirkung, den Energieverbrauch und den Konstruktionsaufwand einer Klimaanlage. Jedes Anwendungsgebiet stellt unterschiedliche Anforderungen an ein Kältemittel. Daher können nicht alle natürlichen Kältemittel in den Klimaanlagen von Autos verwendet werden. Es gibt kein universell einsetzbares Kältemittel.

Ein gutes Kältemittel muss mehrere Eigenschaften aufweisen:

• gute Verfügbarkeit
• gute thermodynamische Eigenschaften
• gute physikalische Eigenschaften
• gute chemische Stabilität wie die Mischbarkeit mit Öl
• geringe oder bestenfalls gar keine Umwelteinflüsse

Natürliche Kältemittel sind halogenfrei und verfügen über mehrere gute Eigenschaften. Sie sind preiswert, da sie unbegrenzt verfügbar sind. Sie sind umwelt- und klimaverträglich und können in Anlagen, die dafür konzipiert sind eine hohe Energieeffizienz aufweisen.

Halogenfreie und natürliche Kältemittel sind:

• Ammoniak
• Ammoniak-Dimethylether
• Kohlenwasserstoffe
• Kohlendioxid
• Wasser

Diese Kältemittel werden bereits in verschiedenen Kälteanlagen verwendet, wie zum Beispiel in der Industriekühlung. Für Klimaanlagen von Pkw eignen sich nicht alle dieser natürlichen Kältemittel.

Es gibt verschiedene natürliche, halogenfreie Kältemittel, die sich in ihren Eigenschaften und in ihren Anwendungsmöglichkeiten unterscheiden | Foto: ©Kadmy #146335268 – stock.adobe.com

Kohlenwasserstoffe – bereits in Australien genutzt

Kohlenwasserstoffe werden bereits in Industriewärmepumpen sowie für einige andere gewerbliche und private Anwendungen genutzt. Spezielle Eigenschaften lassen sich für die jeweiligen Anwendungen durch die Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe erzielen. Kohlenwasserstoffe haben gute thermodynamische Eigenschaften und sind durch eine hervorragende Ölverträglichkeit gekennzeichnet. Der Nachteil besteht darin, dass sie brennbar sind.

Zu den Kohlenwasserstoffen gehören Propan und Butan, die sich bereits als Kältemittel bewährt haben.

Sie haben nur ein außerordentlich geringes Treibhausgaspotenzial. In Australien und den USA wurden bereits Demonstrationsprojekte durchgeführt, bei denen für herkömmliche Klimaanlagen Propan und Isobutan als Kältemittel genutzt wurden. In Australien wurden Schätzungen zufolge bereits in Klimaanlagen von einer Million Pkw Kohlenwasserstoffe nachgefüllt.

Die leichte Entzündbarkeit der Kohlenwasserstoffe ist ein Risiko für die Fahrzeuginsassen. Daher sind Kohlenwasserstoffe als natürliche Kältemittel in Auto-Klimaanlagen keine sinnvolle Alternative. Sie wurden in den USA bereits als Kältemittel für Autoklimaanlagen verboten. Beim Verbrennen von Kohlenwasserstoffen bildet sich jedoch kein Fluorwasserstoff. Kohlenwasserstoffe als Kältemittel in Pkw-Klimaanlagen sind nur dann eine Lösung, wenn im Motorraum ein zweiter Kreislauf vorhanden ist, der hermetisch abgeriegelt ist.

Kohlendioxid als sinnvolle Alternative zu fluorierten Kältemitteln

Kohlendioxid ist die einzige sinnvolle Alternative zu den fluorierten Kältemitteln in Pkw-Klimaanlagen. Es ist unbegrenzt verfügbar, nicht brennbar, nicht giftig und kostengünstig. Es zeichnet sich durch eine sehr hohe volumenmetrische Kälteleistung aus. Die Frage drängt sich auf, wie Kohlendioxid klima- und umweltfreundlich gilt, wo doch Kohlendioxid als Treibhausgas beschrieben wird und es darum geht, den CO2-Ausstoß zu verringern.

Bislang wird noch über den Energieverbrauch von Klimaanlagen mit Kohlendioxid diskutiert, der höher sein soll als bei Anlagen mit R134a. Entwickler von Kohlendioxid-Klimaanlagen haben jedoch bereits in Messungen nachgewiesen, dass der Energieverbrauch dieser Anlagen sogar geringer sein kann als bei Klimaanlagen mit R134a.

Kohlendioxid ist Bestandteil der Luft und gilt bei den natürlichen Kältemitteln für Pkw-Klimaanlagen als umweltfreundlichste und zukunftsträchtigste Lösung. Es wird bereits seit Mitte der 1990er Jahre zur Kälteerzeugung genutzt. Es trägt die Bezeichnung R744.

Kohlendioxid ermöglicht in Pkw-Klimaanlagen ein schnelleres Abkühlen oder Aufwärmen des Fahrgastraums als R134a. Es erhöht die Sicherheit, da die Scheiben schneller von Feuchtigkeit befreit werden.

Wird eine Pkw-Klimaanlage mit CO2 betrieben, muss sie für einen höheren Druck ausgelegt sein als eine Klimaanlage, die mit R134a betrieben wird. Der erforderliche Bauraum erhöht sich durch eine solche Klimaanlage nicht. Inzwischen sind Klimaanlagen mit CO2 für Pkw serienreif. Mehrere große Fahrzeughersteller rüsten ihre Autos bereits mit solchen Klimaanlagen aus. Künftig wird CO2 als Kältemittel in Pkw-Klimaanlagen die Lösung der Wahl sein.